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Energieeffizienzanforderungen in der Ladetechnik : Ausgabe 14/2014, 06.08.2014

Einhaltung von Standards und Richtlinien ist zwingend notwendig

In der Elektronik spielt die Einhaltung von Energieeffizienzstandards eine immer grössere Rolle. Für «reine» Netzteile bestehen weltweit schon länger gesetzliche Vorgaben. Nun nehmen die Gesetzgeber auch Ladegeräte in ihren Fokus. In Kalifornien ist der weltweit erste verpflichtende Standard für Ladegeräte bereits in Kraft.

Autor: Dipl.-Ing. Arno Reinhard, Leiter Entwicklungsgruppe Ladegeräte, FRIWO Gerätebau GmbH

Der derzeit weltweit einzige verpflichtende Standard zur Energieeffizienz für Ladegeräte ist der Titel 20 des California Code of Regulations (Absätze 1.601 bis 1.608). Definiert wurde der Standard von dem Energieministerium des Staates Kalifornien, der California Energy Commission (CEC). Da diese Behörde ausschliesslich für die Energiepolitik und -planung innerhalb der kalifornischen Staatsgrenzen zuständig ist, könnte man bei dem Standard auf den ersten Blick eine sehr regionale Bedeutung vermuten. Bei genauerer Betrachtung wird jedoch deutlich, dass dieser Standard für den gesamten US-amerikanischen Markt relevant ist: Unternehmen, die ihre Produkte in die USA exportieren, können den Verkauf und die Benutzung der Geräte in Kalifornien in der Regel nicht ausschliessen – und sollten den Standard daher von vornherein einhalten.

Grenzwerte gibt es für zwei Kategorien von Ladegeräten

Hinsichtlich der festgelegten Grenzwerte unterscheidet die CEC die Kategorien Grosslader (Large BCS) mit einer Eingangsleistung von mehr als 2 kW und Kleinlader (Small BCS) mit einer geringeren Eingangsleistung. Im Folgenden soll vor allem die Regulierung für Kleinlader detaillierter betrachtet werden. Hierzu sind zunächst einige wichtige Begriffe nach CEC zu klären:

  • Active charge mode: Hauptladung, bis der Akku voll geladen ist
  • Battery maintenance mode (Pm): Erhaltungsladung. Der Akku ist geladen, bleibt aber am Ladegerät
  • 24h charge and maintenance energy (E24h): Summe der vom Ladesystem innerhalb von 24 Stunden aufgenommenen Energie in Wattstunden (während Haupt- und Erhaltungsladung)
  • No battery mode (Pstby): Reiner Stand-by-Betrieb ohne Akku

Mit ihrem Standard legt die CEC zwei einzuhaltende Kennzahlen fest: Zum einen ein festgelegtes Maximum an Wattstunden (Wh) für die «24h charge and maintenance energy», zum anderen einen Maximalwert für die Summe aus «battery maintenance mode» und «no battery mode». Mithilfe des Energieinhalts des eingesetzten Akkus (Eb) und der Anzahl der Ladeschächte des verwendeten Ladegerätes (N) lassen sich die einzuhaltenden Grenzwerte nach CEC berechnen. Hier die zu verwendenden Formeln:

Maximum 24h charge and maintenance energy (E24h)

  • für Ladesysteme mit Eb ≤2,5 Wh: 16 × N
  • für Ladesysteme mit Eb >2,5 und ≤100 Wh: 12 × N+1,6 Eb
  • für Ladesysteme mit Eb >100 und ≤1000 Wh: 22 × N+1,5 Eb
  • für Ladesysteme mit einem Eb >1000 Wh: 36,4 × N+1,486 Eb

Maximum power for maintenance mode and no battery mode (Pstby+Pm)

  • Grenzwert für die Summe aus Pm und Pstby in W: N+0,0021 × Eb

Schaltungen zur Optimierung der Energieeffizienz

Hält man die von der CEC definierten Grenzwerte vom bestehenden Ladesystem nicht ein, muss man das Ladegerät optimieren. Für die Einhaltung des Grenzwerts E24h ist der Wirkungsgrad des Leistungsteils entscheidend. Ein sehr guter Wirkungsgrad lässt sich vor allem durch die Wahl einer effizienten Topologie, zum Beispiel LLC, flankiert durch weitere Massnahmen wie einer Synchrongleichrichtung, erreichen. Erweist sich dagegen das Einhalten des Grenzwertes (Pstby+Pm) als problematisch, sind die Leerlaufverluste zu verringern. Hier wäre ein Hilfsnetzteil empfehlenswert.

Effizienz durch LLC-Topologie

Die LLC-Topologie erlaubt gegenüber dem meist angewandten Sperrwandlerkonzept höhere Wirkungsgrade. Der Vorteil liegt dabei im spannungslosen Schalten der MOSFETs, dem Zero Voltage Switching (ZVS). Im Vergleich zum herkömmlichen Schalten lassen sich Schaltverluste durch ZVS wesentlich reduzieren, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Gesamtsystems führt. Ausserdem gestattet das «weiche Schalten» den Einsatz eines kleineren EMV-Filters, was zu weniger Verlusten im Filterkreis führt. LLC steht ausserdem für eine geringere Spannungsbelastung der primärseitigen MOSFETs sowie der sekundärseitigen Gleichrichter. Dies erlaubt die Verwendung leistungsstärkerer Halbleiter, wodurch sich Verluste noch weiter minimieren lassen.

Effizienz durch Synchrongleichrichter

Bei Ladegeräten verursachen Gleichrichter in der Ausgangsstufe einen Grossteil der Verlustleistungen. Hierbei gilt die Regel: Je höher der Ausgangsstrom, desto grösser die Verluste. Um trotz hoher Ausgangsströme die Grenzwerte nach CEC einhalten zu können, muss man diese Verlustleistungen möglichst weit eingrenzen. Dabei hilft eine Synchrongleichrichtung: Hier ersetzt man den Gleichrichter aus dem klassischen Ladegerätekonzept – typischerweise eine Diode – durch einen geschalteten FET. Der Vorteil des MOSFETs ist dabei ein wesentlich niedrigerer Spannungsabfall bei hohen Ausgangsströmen.

Effizienz durch ein Hilfsnetzteil

Auch wenn man die Grenzwerte gemäss CEC für E24h einhält, kann sich die Einhaltung von (Pstby+Pm) als problematisch erweisen. Die Leistungsaufnahme während des «Battery maintenance mode» Pm lässt sich vom Ladegerät kaum oder gar nicht beeinflussen, da hier starke Abhängigkeiten zu anderen Faktoren, z.B. Akkuchemie oder dauerhafte Anzeigen im Akku, bestehen. Zur Erfüllung des Grenzwerts (Pstby+Pm) ist also vor allem die Optimierung der Stand-by-Verluste entscheidend.

Generell lässt sich festhalten: Je geringer die Akkukapazität ist, desto wichtiger wird das Thema Stand-by zur Einhaltung des CEC-Standards. Ein Lösungsansatz kann hier ein Hilfsnetzteil sein. Mit einem auf niedrige Leistungen abgestimmten Netzteil kann man das Leistungsteil eines Ladegerätes aktiv abschalten, was die Leerlaufverluste eines Ladesystems deutlich verringert.

Ausblick: Standards für Ladesysteme in der Zukunft

Aufgrund der Abgrenzungsproblematik zwischen dem lokalen kalifornischen und dem gesamtamerikanischen Markt ist es wohl nur eine Frage der Zeit, bis der Standard nach CEC für die gesamte USA verpflichtend übernommen wird. Die Standards bereits heute provisorisch einzuhalten, ist daher mehr als empfehlenswert.

Über CEC als verpflichtenden Standard hinaus gibt es für Batterieladegeräte den freiwilligen Effizienzstandard EnergyStar der Environmental Protection Agency (EPA). Ursprünglich war für dieses Programm die Einführung neuer Grenzwerte im Rahmen von EnergyStar 2.0 geplant, da mit CEC jedoch eine strengere Richtlinie bereits in Kraft getreten ist und darüber hinaus keine weiteren Einsparpotenziale gesehen werden, wurde dies verworfen. Dementsprechend liegt der Beschluss der EPA vor, wonach das EnergyStar-Programm für Ladesysteme zum 31. Dezember 2014 auslaufen wird.

Situation Europa

Auch für den europäischen Markt sind Energieeffizienzvorgaben für Ladegeräte aktuell in Diskussion. Hier soll die ErP-Richtlinie, von welcher Ladegeräte derzeit noch ausgenommen sind, auf diesen Bereich erweitert werden. Zwar sind bislang keine konkreten Vorschläge für die Grenzwerte bekannt, im Zuge der Globalisierung ist aber davon auszugehen, dass die ErP-Richtlinie sich mit ihren Vorgaben stark an der CEC orientieren wird.

Langversion: 14_14.51.pdf

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Energieaufnahme eines Ladegeräts nach CEC


Prinzipieller Aufbau eines Ladesystems


Schaltbild einer Synchrongleichrichtung